主要内容
显微镜学
对显微镜以及它们的工作原理的简介。包括明视野显微镜学,荧光显微镜学,和电子显微镜学。
介绍
如果你遇到一些细胞生物学家,并让他们谈论在工作中最喜欢的东西,你可能会发现这都归结到一件事:暗地里,他们都是显微镜的狂热爱好者。说到底,他们真正喜欢的是有机会连续几个小时坐在一个黑暗的小房间里,通过美丽的显微镜镜头与他们最喜欢的细胞类型交流。这似乎很奇怪,但事实是,细胞可以相当华丽,就像活着的彩色玻璃。我最喜欢的例子之一便是下面的图片,它显示了一片拟南芥(一种与芥末类似的小型开花植物)的幼叶。
这张照片不是一个普通光学显微照片;这是一个被悉心处理过的植物的荧光照片——植物细胞里的各种细胞器被用不同的化学物质标记以产生荧光。然而,无论我们能否轻易看到,这种细胞的复杂性和美都在我们身边。
你能在任何植物中——从你后院的玫瑰,到人行道上生长的草,再到你作为零食吃的胡萝卜——看到细胞复杂却美丽地排列着。不仅仅在植物里,在你的皮肤,昆虫的翅膀,以及你选择看的几乎任何其他活组织中,你都能发现精致的细胞层。
我们,和我们身边的世界,都是由细胞组成的恢弘的大教堂。我们只需要一些显微镜便能欣赏它。
显微镜和镜片
虽然细胞的大小不同,但它们一般都相当小。例如,一个典型的人类血红细胞的直径约为8微米(0.008 毫米)。给你一些参照:一个针头的直径大约是一毫米,所以大约125个红血球可以在一个针头排成一行。除了少数个例, 单个细胞不能用肉眼看到,因此科学家必须使用显微镜(micro = "微小";scope = "用来看的仪器")。 显微镜 是一种用来放大物体的仪器,产生物体看起来更大的图像。这些物体往往平时太小,难以被看到,比如细胞。大多数细胞照片都是用显微镜拍摄的,这些照片也被称为 显微照片。
从上面的定义来看,显微镜听起来只是一种放大镜。事实上,放大镜确实有资格作为显微镜;因为它们只有一个镜片,它们被称为简式显微镜。我们通常认为的显微镜,那些更花哨的仪器,是复式显微镜,这意味着它们有多个镜片。通过这些镜片的排列方式,它们可以弯曲光线,产生的图像比只用一个放大镜有更高的放大倍数。
在带有两个镜片的复式显微镜中,镜片的排列导致了一个有趣的结果:你看到的图像的方向相对于你正在检查的实际物体有翻转。例如,如果你看一张印纸上面写着字母“e”,那么你通过显微镜看到的图像将是“ə”。start superscript, 1, end superscript 更复杂的复式显微镜可能并不会产生一个颠倒的图像,因为它们含有一个额外的镜片将图像重新反转回正常状态。
是什么区别了基础的显微镜与研究实验室离使用的强大机器?对于显微技术来说,两个参数十分重要:放大率和分辨率。
- 放大率是是衡量显微镜(或显微镜内的镜片组)能使物体放大多少倍的指标。例如,高中和大学通常使用的光学显微镜可以将无题放大到400倍左右。这就代表着,现实生活中1mm宽的物体,在显微镜图像里将有400mm宽。
- 显微镜或透镜的 分辨率 是两个点可以分开并被区分为单独物体的最小距离。此值越小,显微镜的 分辨率 越高,图像的清晰度和细致度就越好。如果两个细菌细胞在载玻片上非常接近,他们在一台分辨率低的显微镜上会看起像一个模糊的点。但在具有高分辨率的显微镜上他们可以被区别开来。
如果你想要得到一些非常微小的东西的清晰图像,放大率和分辨率都非常重要。例如,如果一台显微镜有较高的放大率但分辨率较低,你只能得到放大版的模糊图像。不同类型的显微镜在放大倍率和分辨率上会有所不同。
光学显微镜
大多数学生用的显微镜是光学显微镜。在光学显微镜下, 可见光穿过样本 (你正在观察的生物样品),并被镜片组弯曲,使你能够看到放大的图像。光学显微镜的一个好处是,它通常用来观察活细胞上,因此观察细胞在显微镜下进行其正常行为(例如,迁移或分裂)是可行的。
学生实验室微镜往往是 亮视野 显微镜,这意味着可见光线通过样品直接形成图像,没有任何修改。较复杂的显微镜使用光学技术来加强对比度,使细胞和组织的细节更容易看到。
另一种类型的光学显微镜是 荧光显微镜, 用于成像发出荧光(吸收一个波长的光并发出另一个波长)的样品。一个波长的光被用来激发荧光分子,发出另一个波长的光被收集起来,用来形成图像。在大多数情况下,我们要观察的细胞或组织的部分不是天然荧光的,而是在用显微镜观察前必须被荧光染料或物质标记过的。
在文章开始处的叶子图片是使用一种特殊的荧光显微镜拍摄的,称为 共焦显微镜。共焦显微镜使用激光去激发薄薄一层样品,只收集来自目标层的发射光,产生清晰的图像,不受来自周围层荧光分子的干扰start superscript, 4, end superscript。
电子显微镜
一些尖端类型的光学显微镜(使用了超出我们上面讨论的技术)可以产生非常高分辨率的图像。然而,如果你想在非常高的分辨率看到非常小的物品,你可能要使用一种不同的,可靠的技术:电子显微镜。
电子显微镜与光学显微镜的不同之处在于,它们通过使用电子束而不是光束来产生样品的图像。电子的波长比可见光短很多,这使得电子显微镜能够产生比普通光学显微镜更高分辨率的图像。电子显微镜不仅可以用来检查整个细胞,还可以用来检查细胞内的亚细胞结构。
然而,一个限制是,电子显微镜样品必须被置于真空中(而且通常会经过繁多的防腐固化处理)才能成像。这意味着活细胞无法用电子显微镜成像。
在上图中,你可以比较 沙门氏菌 在光学显微镜(左)中与在用电子显微镜(右)拍摄的图像中外观的不同。细菌在光学显微镜中显示为微小的紫色圆点,而在电子显微镜中,你可以清楚地看到它们的形状和表面纹理,以及它们试图入侵的人类细胞的细节。
电子显微镜有两种主要类型。扫描电子显微镜(SEM)通过在细胞或组织的表面移动电子束,形成三维表面的详细图像。这种类型的显微镜被用来拍摄上面右图显示的 沙门氏菌 的图像。
相反,在 投射电子显微镜(TEM)中,样品在成像前被切割成极薄的切片(例如,使用钻石切割),且电子束通过切片而不是扫过表面start superscript, 5, end superscript。TEM常常被用来获取细胞内部结构的详细图像。
电子显微镜,想上图中的一样,比普通的光学显微镜要笨重得多,价格也要高得多。考虑到他们要处理的亚原子粒子,这或许并不奇怪!